JP2014143408A - 半導体装置及び測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の酸化物層と、第1の酸化物層上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上の第1のソース電極及び第1のドレイン電極と、第1のソース電極上の第2のソース電極と、第1のドレイン電極上の第2のドレイン電極と、第1のソース電極及び第1のドレイン電極上の第2の酸化物層と、第2のソース電極、第2のドレイン電極、及び第2の酸化物層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重畳するゲート電極と、を有する。酸化物半導体層の上下に酸化物層を有する構成とすることで、酸化物半導体層に不純物が混入することを抑制する。酸化物半導体層がソース電極及びドレイン電極と接する構成とすることで、酸化物層を介して電気的に接続する場合に比べてソースとドレインの間の抵抗の上昇を防ぐ。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について図1〜図7を用いて説明する。
図1(A)に、本発明の一態様のトランジスタの平面図を示す。図1(A)に示す一点鎖線V1−W1間の断面図を図1(B)に示し、一点鎖線X1−Y1間の断面図を図1(C)に示す。また、図1(C)に示す領域102の拡大図を図1(D)に示す。なお、図1(A)では、明瞭化のために一部の構成要素の記載を省略している。
図2(A)に、本発明の一態様のトランジスタの平面図を示す。図2(A)に示す一点鎖線V2−W2間の断面図を図2(B)に示し、一点鎖線X2−Y2間の断面図を図2(C)に示す。なお、図2(A)では、明瞭化のために一部の構成要素の記載を省略している。
図3(A)に、本発明の一態様のトランジスタの平面図を示す。図3(A)に示す一点鎖線V3−W3間の断面図を図3(B)に示し、一点鎖線X3−Y3間の断面図を図3(C)に示す。なお、図3(A)では、明瞭化のために一部の構成要素の記載を省略している。
図4(A)に、本発明の一態様のトランジスタの平面図を示す。図4(A)に示す一点鎖線V4−W4間の断面図を図4(B)に示し、一点鎖線X4−Y4間の断面図を図4(C)に示す。なお、図4(A)では、明瞭化のために一部の構成要素の記載を省略している。
酸化物半導体層105bにチャネルが形成されるトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層105b中の不純物濃度を低減することが有効である。
酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する場合、酸化物半導体のキャリアの供給源の一つとして、酸素欠損が挙げられる。トランジスタのチャネルが形成される酸化物半導体に酸素欠損が多く存在すると、チャネル形成領域中に電子を生じさせてしまい、トランジスタのノーマリーオン化、リーク電流の増大、ストレス印加によるしきい値電圧のシフトなど、電気特性の不良を引き起こす要因となる。
上述の理由からトランジスタのチャネルをゲート絶縁層と離すために酸化物層を設けることで、酸化物層を介して酸化物半導体層とソース又はドレインが接続すると、ソースとドレインの間の抵抗が上昇してしまう。しかし、上記の各半導体装置では、ソース電極107a及びドレイン電極107bが、酸化物半導体層105bとそれぞれ接するため、ソースとドレインの間の抵抗の上昇を防ぐことができる。
上記半導体装置とは異なる構成の本発明の一態様の半導体装置について説明する。なお、上記半導体装置と同様の構成、効果を有する部分については、先の説明を参酌できる。
本発明の一態様の半導体装置の各構成要素について説明する。各絶縁層、ソース電極及びドレイン電極については先の記載も合わせて参照できる。なお、半導体装置の各構成要素は単膜であっても多層膜であってもよい。
基板101は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタ等のデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
絶縁層103、絶縁層114、絶縁層115、ゲート絶縁層111、及びゲート絶縁層121について説明する。
積層体106aは、酸化物層105aと、酸化物層105a上の酸化物半導体層105bと、酸化物半導体層105b上の酸化物層105cと、を有する。積層体106bは、酸化物層105dと、酸化物層105d上の酸化物層105aと、酸化物層105a上の酸化物半導体層105bと、酸化物半導体層105b上の酸化物層105cと、酸化物層105c上の酸化物層105eと、を有する。
半導体装置が有する電極について説明する。具体的には、ゲート電極(ゲート電極113やゲート電極123)、ソース電極(ソース電極107aやソース電極109a)、及びドレイン電極(ドレイン電極107bやドレイン電極109b)について説明する。
本実施の形態における積層体の機能及びその効果について、図7に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の作製方法について図8〜図13を用いて説明する。
本発明の一態様の半導体装置の作製方法の一例として、トランジスタ100の作製方法の一例を、図8を用いて説明する。
まず、基板101上に絶縁層103を形成する。上述の通り、絶縁層103は、積層体への酸素の供給源となりえる酸素を含む材料で形成することが好ましく、過剰酸素を含む膜であることが好ましい。
次に、絶縁層103上に、酸化物層105a及び酸化物半導体層105bを形成する。
次に、島状に加工した酸化物層105a及び酸化物半導体層105b上に、ソース電極107a及びドレイン電極107bとなる導電膜を形成し、該導電膜上にレジストマスクを形成する。
次に、ソース電極109a、ドレイン電極109b、及び酸化物半導体層105bの一部に接して酸化物層105cを形成する。酸化物層105cは、上述の酸化物層105aの形成方法を参酌して形成できる。
次に、酸化物層105c上にゲート絶縁層111を形成する。ゲート絶縁層111は、上述の絶縁層103の形成方法を参酌して形成できる。上述の通り、ゲート絶縁層111は、積層体への酸素の供給源となりえる酸素を含む材料で形成することが好ましく、過剰酸素を含む膜であることが好ましい。
次に、ゲート絶縁層111上にゲート電極113となる導電膜を形成し、該導電膜上にレジストマスクを形成する。
以下に、CAAC−OSの形成方法を、3つ例示する。
まず、図9を用いて、上述したスパッタリング用ターゲットの作製方法を示す。
次に、図10を用いて、In−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])の結晶の劈開面について説明する。
スパッタリング用ターゲットは、好ましくは相対密度が90%以上、95%以上、又は99%以上である。
次に、酸化物層又は酸化物半導体層をスパッタリング法で形成する際に、スパッタリング粒子が堆積する様子に関するモデルについて図11〜図13を用いて説明する。
本実施の形態では、主に酸化物半導体について説明する。まず、酸化物半導体とシリコン半導体を対比して説明する。次に、酸化物半導体膜の局在準位について説明する。さらに、酸化物半導体膜の電子線回折パターンについて説明する。
結晶状態における酸化物半導体(OS)及びシリコン(Si)の対比を表1に示す。
次に、酸化物半導体膜の局在準位について説明する。具体的には、ナノ結晶酸化物半導体膜とCAAC−OS膜をそれぞれCPM(Constant photocurrent method)測定で評価した結果について説明する。
次に、CAAC−OS膜の電子線回折パターンについて、図16〜図24を用いて説明する。
次に、ナノ結晶酸化物半導体膜の電子線回折パターンについて、図25〜図31を用いて説明する。
本実施の形態では、上述したトランジスタを用いた半導体装置について例示する。
上述したトランジスタは、様々な電子機器に搭載されるマイクロコンピュータに用いることができる。以下では、マイクロコンピュータを搭載した電子機器の例として警報装置(特に、火災報知器)の構成及び動作について、図32及び図33を用いて説明する。
図32に示す警報装置は、マイクロコンピュータ500を少なくとも有する。ここで、マイクロコンピュータ500は、警報装置の内部に設けられている。マイクロコンピュータ500は、高電位電源線VDDと電気的に接続されたパワーゲートコントローラ503と、高電位電源線VDD及びパワーゲートコントローラ503と電気的に接続されたパワーゲート504と、パワーゲート504と電気的に接続されたCPU(Central Processing Unit)505と、パワーゲート504及びCPU505と電気的に接続された検出部509と、が設けられる。また、CPU505には、揮発性記憶部506と不揮発性記憶部507と、が含まれる。
図33はCPUの具体的な構成を示すブロック図である。
不揮発性記憶部を有するマイクロコンピュータに適用可能な半導体装置の構成例について、図34を用いて説明する。
上述したトランジスタは、表示装置に用いることができる。また、上述したトランジスタを用いて、トランジスタを含む駆動回路の一部又は全体を画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。上述したトランジスタを用いることが可能な表示装置の構成例について、図35〜図37を用いて説明する。
図35(A)において、第1の基板4001上に設けられた画素部4002を囲むようにして、シール材4005が設けられている。画素部4002は、第1の基板4001とシール材4005と第2の基板4006とによって封止されている。図35(A)においては、第1の基板4001上のシール材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体又は多結晶半導体で形成された信号線駆動回路4003、及び走査線駆動回路4004が実装されている。また、信号線駆動回路4003、走査線駆動回路4004、又は画素部4002に与えられる各種信号及び電位は、FPC(Flexible printed circuit)4018a、FPC4018bから供給されている。
図37に、表示装置に適用可能な画素回路の一例を示す。図37(A)は、液晶表示装置に適用可能な画素回路の一例を示す回路図である。図37(A)に示す画素回路は、トランジスタ851と、キャパシタ852と、一対の電極間に液晶の充填された液晶素子853とを有する。
表示装置と組み合わせることができるタッチセンサ及び表示モジュールについて、図38〜図41を用いて説明する。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルCDプレイヤー、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナー等の空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、放射線測定器、透析装置等の医療機器、災、煙、漏電、ガス漏れ等を検知する検知装置、近接センサ、赤外線センサ、振動センサ、放射線センサ、人感センサ等の各種センサ等が挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体等も、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。電子機器の具体例を図42に示す。
本実施の形態では酸化物半導体の容量及び比誘電率を測定する半導体装置(測定装置ともいう)を説明する。
MIS(Metal(金属)、Insulator(絶縁膜)、Semiconductor(半導体))構造において、半導体の容量を測定する場合、図43に示す測定装置200のような測定装置が用いられる。測定装置200は、第1の電極201上の第1の絶縁層202と、第1の絶縁層202上の半導体層203と、半導体層203上の第2の電極204と、を有する。
そこで、本実施の形態では、酸化物半導体の容量を測定できる測定装置210を説明する(図44(A))。図44(A)は測定装置210の断面図である。
本発明の一態様の測定装置の各構成要素について説明する。なお、測定装置の各構成要素は単膜であっても多層膜であってもよい。
第1の電極211、第2の電極214、及び第3の電極216は、実施の形態1にて例示したゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成するための材料を用いて作製できる。
第1の絶縁層212及び第2の絶縁層215は、それぞれ、実施の形態1にて例示した絶縁層を形成するための材料を用いて作製できる。第1の絶縁層212及び第2の絶縁層215に用いる材料の比誘電率は既に知られていることが好ましい。
酸化物半導体層213は、実施の形態1にて例示した酸化物半導体層を形成するための材料を用いて作製できる。
支持基板217は、実施の形態1にて例示した基板と同様の材料を用いて作製できる。
本発明の一態様の測定装置である測定装置300を図52に示す。測定装置300は図47(B)に示す測定装置222及び図48に示す測定装置223と類似の構成である。
測定装置310を図57(A)に示す。測定装置310は、第1の電極311、第1の絶縁層312、酸化物半導体層313及び第2の電極314を有する。測定装置310は、図43に示す測定装置200と類似する。
測定装置320を図57(B)に示す。測定装置320は、第1の電極321、第1の絶縁層322、酸化物半導体層323及び第2の電極324を有する。測定装置320では、第2の電極324が第1の電極321と重なっていない。
C2 容量値
CLK1 基準クロック信号
CLK2 内部クロック信号
S101 工程
S102 工程
S103 工程
S104 工程
S111 工程
S112 工程
S113 工程
S114 工程
100 トランジスタ
101 基板
102 領域
103 絶縁層
105a 酸化物層
105b 酸化物半導体層
105c 酸化物層
105d 酸化物層
105e 酸化物層
106a 積層体
106b 積層体
107a ソース電極
107b ドレイン電極
108a 低抵抗領域
108b 低抵抗領域
109a ソース電極
109b ドレイン電極
111 ゲート絶縁層
113 ゲート電極
114 絶縁層
115 絶縁層
117a 導電層
117b 導電層
120 トランジスタ
121 ゲート絶縁層
123 ゲート電極
140 トランジスタ
160 トランジスタ
161 トランジスタ
162 トランジスタ
163 トランジスタ
164 トランジスタ
191 トラップ準位
200 測定装置
201 第1の電極
202 第1の絶縁層
203 半導体層
204 第2の電極
210 測定装置
211 第1の電極
212 第1の絶縁層
213 酸化物半導体層
214 第2の電極
215 第2の絶縁層
216 第3の電極
217 支持基板
218 領域
220 領域
221 測定装置
222 測定装置
223 測定装置
224 測定装置
300 測定装置
301 第1の電極
302 第1の絶縁層
303 酸化物半導体層
304 第2の電極
305 第2の絶縁層
306 第3の電極
307 支持基板
310 測定装置
311 第1の電極
312 第1の絶縁層
313 酸化物半導体層
314 第2の電極
317 支持基板
318 第3の絶縁層
320 測定装置
321 第1の電極
322 第1の絶縁層
323 酸化物半導体層
324 第2の電極
327 支持基板
328 第3の絶縁層
401 半導体基板
403 素子分離層
404 ゲート電極
406 積層体
407 ゲート絶縁層
409 ゲート電極
411a 不純物領域
411b 不純物領域
412 ゲート絶縁層
415 絶縁層
416a ソース電極
416b ドレイン電極
417 絶縁層
418 絶縁層
419a コンタクトプラグ
419b コンタクトプラグ
420 絶縁層
421 絶縁層
422 絶縁層
423a 配線
423b 配線
424 電極
425 絶縁層
426a ソース電極
426b ドレイン電極
445 絶縁層
446 絶縁層
449 配線
451 トランジスタ
452 トランジスタ
453 容量素子
456 配線
460 電極
500 マイクロコンピュータ
501 直流電源
502 バスライン
503 パワーゲートコントローラ
504 パワーゲート
505 CPU
506 揮発性記憶部
507 不揮発性記憶部
508 インターフェース
509 検出部
511 光センサ
512 アンプ
513 ADコンバータ
530 発光素子
600 スパッタリング用ターゲット
601 イオン
602 スパッタリング粒子
603 被成膜面
819 発光素子
841 トランジスタ
842 キャパシタ
843 スイッチ素子
844 信号線
851 トランジスタ
852 キャパシタ
853 液晶素子
854 走査線
855 信号線
900 タッチセンサ
910 導電層
910a 導電層
910b 導電層
910c 導電層
911 基板
912 基板
913 絶縁層
914 絶縁層
915 電極
920 導電層
940 容量
950 表示モジュール
951 上部カバー
952 下部カバー
953 FPC
954 タッチパネル
955 FPC
956 表示パネル
957 バックライトユニット
958 光源
959 フレーム
960 プリント基板
961 バッテリー
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
4001 基板
4002 画素部
4003 信号線駆動回路
4004 走査線駆動回路
4005 シール材
4006 基板
4008 液晶層
4010 トランジスタ
4011 トランジスタ
4013 液晶素子
4014 配線
4015 電極
4017 導電層
4018 FPC
4018b FPC
4019 異方性導電層
4020 絶縁層
4021 平坦化層
4022 絶縁層
4023 絶縁層
4030 第1の電極
4031 第2の電極
4032 絶縁層
4033 絶縁層
4035 スペーサ
4510 隔壁
4511 電界発光層
4513 発光素子
4514 充填材
8000 表示装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカー部
8004 CPU
8100 警報装置
8101 マイクロコンピュータ
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 マイクロコンピュータ
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 マイクロコンピュータ
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (15)
- 島状の第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上の、チャネルを形成する島状の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する第1のソース電極及び第1のドレイン電極と、
前記第1のソース電極と電気的に接続される、前記第1のソース電極上の第2のソース電極と、
前記第1のドレイン電極と電気的に接続される、前記第1のドレイン電極上の第2のドレイン電極と、
前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極上の第2の酸化物層と、
前記第2のソース電極、前記第2のドレイン電極、及び前記第2の酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳するゲート電極と、を有する半導体装置。 - 酸素を含む絶縁層と、
前記酸素を含む絶縁層の上面と接する島状の第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上の、チャネルを形成する島状の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する第1のソース電極及び第1のドレイン電極と、
前記第1のソース電極と電気的に接続される第2のソース電極と、
前記第1のドレイン電極と電気的に接続される第2のドレイン電極と、
前記第1のソース電極、前記第1のドレイン電極、前記第2のソース電極、及び前記第2のドレイン電極上の第2の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳するゲート電極と、を有し、
前記第2のソース電極、前記第2のドレイン電極、及び第2の酸化物層が、前記酸化物半導体層の上面とそれぞれ接する半導体装置。 - 酸素を含む絶縁層と、
前記酸素を含む絶縁層の上面と接する島状の第1の酸化物層と、
前記第1の酸化物層上の、チャネルを形成する島状の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する第1のソース電極及び第1のドレイン電極と、
前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極上の第2の酸化物層と、
前記第2の酸化物層上の第2のソース電極及び第2のドレイン電極と、
前記第2のソース電極、前記第2のドレイン電極、及び前記第2の酸化物層上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳するゲート電極と、を有し、
前記第2のソース電極は、前記第1のソース電極と電気的に接続され、
前記第2のドレイン電極は、前記第1のドレイン電極と電気的に接続される半導体装置。 - 請求項2又は3において、
前記酸素を含む絶縁層と前記第2の酸化物層とは、前記酸化物半導体層の外側において接する領域を有する半導体装置。 - 請求項2乃至4のいずれか一項において、
前記酸素を含む絶縁層と前記第1の酸化物層との間に第3の酸化物層を有し、
前記第3の酸化物層は、前記第1の酸化物層を構成する金属元素と同じ金属元素を1種類以上有する半導体装置。 - 請求項5において、
前記第3の酸化物層の電子親和力は、前記第1の酸化物層の電子親和力よりも小さい半導体装置。 - 請求項1乃至6のいずれか一項において、
前記第1の酸化物層又は前記第2の酸化物層の少なくとも一方は、前記酸化物半導体層を構成する金属元素と同じ金属元素を1種類以上有する半導体装置。 - 請求項1乃至7のいずれか一項において、
前記第1の酸化物層の電子親和力又は前記第2の酸化物層の電子親和力の少なくとも一方は、前記酸化物半導体層の電子親和力よりも小さい半導体装置。 - 請求項1乃至8のいずれか一項において、
前記第2の酸化物層の上面に接する第4の酸化物層を有し、
前記第4の酸化物層は、前記第2の酸化物層を構成する金属元素と同じ金属元素を1種類以上有する半導体装置。 - 請求項9において、
前記第4の酸化物層の電子親和力は、前記第2の酸化物層の電子親和力よりも小さい半導体装置。 - 請求項1乃至10のいずれか一項において、
前記第1のソース電極及び前記第1のドレイン電極は、前記第2のソース電極及び前記第2のドレイン電極よりも、酸素と結合しやすい材料を有する半導体装置。 - 請求項1乃至11のいずれか一項において、
前記ゲート絶縁層が、酸化ハフニウム膜を有する半導体装置。 - 請求項1乃至11のいずれか一項において、
前記ゲート絶縁層が、酸化アルミニウム膜を有する半導体装置。 - 請求項1乃至11のいずれか一項において、
前記ゲート絶縁層上に保護絶縁層を有し、
前記ゲート絶縁層が、酸化シリコン膜又は酸化窒化シリコン膜を有し、
前記保護絶縁層が、窒化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有する半導体装置。 - 酸化物半導体層の容量を測定する測定装置であって、
第1の電極上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の前記酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2の電極と、
前記酸化物半導体層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第3の電極と、を有し、
前記第1の電極は前記酸化物半導体層と重なる領域を有し、
前記第1の電極は前記第3の電極と重なる領域を有し、
前記酸化物半導体層は前記第3の電極と重なる領域を有する測定装置。
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